微細通道內(nèi)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)汽液相界面運動特性

張猛，李樹謙，張東，馬坤茹

（1 河北科技大學建筑工程學院，河北 石家莊 050018；2 河北水利電力學院土木工程系，河北 滄州 061001；3 河北省數(shù)據(jù)中心相變熱管理技術創(chuàng)新中心，河北 滄州 061001；4 滄州市儲熱及低品位余熱利用型電磁供熱技術創(chuàng)新中心，河北 滄州 061001）

蒸汽直接接觸冷水凝結(jié)（direct contact condensation，DCC）作為一種效率極高的傳熱方式廣泛存在于化工、核電、海水淡化等領域，近幾十年來，眾多研究人員在凝結(jié)流型、換熱特性、壓力振蕩等方面對于DCC開展了廣泛研究。例如，葉書艷等基于DCC的壓力特性并采用神經(jīng)網(wǎng)絡模型提出一種流型識別方法，準確識別了間歇振蕩、界面振蕩、氣泡振蕩、穩(wěn)定凝結(jié)4種流型；唐繼國等通過可視化研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽泡表面波動程度與蒸汽的體積流量正相關，并且在汽泡破裂時產(chǎn)生大量微小汽泡；Villanueva 等提出采用數(shù)作為蒸汽直接接觸凝結(jié)的量綱為1振幅及振蕩頻率的標度準則；儲小娜等應用可視化手段及圖像處理技術定量獲取了蒸汽旋轉(zhuǎn)射流汽液界面速度特性，同時發(fā)現(xiàn)界面波動速度幅度和波動周期與蒸汽質(zhì)量流量負相關，其不穩(wěn)定性與過冷水溫度正相關。

前述DCC 的研究尺度基本集中在宏觀尺度，自2012 年Yang 等研究發(fā)現(xiàn)，利用微細通道條件下間歇凝結(jié)誘發(fā)的高頻汽液兩相流振蕩能夠使流動沸騰臨界熱通量得到顯著提高，使之在超高熱通量電子器件散熱領域具有獨特的應用前景。在此理論構(gòu)架下，Ma 等開發(fā)了概念級的微電子機械系統(tǒng)（MEMS）樣機并對其散熱性能進行了表征。然而與宏觀尺度相比較，微細尺度條件下的DCC 的流動和傳熱機制仍處于研究的起始階段，并且研究表明，微細尺度效應對于流動和傳熱具有重要的影響。為此，本文作者課題組近兩年來對微細通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)進行了一系列研究，侯娜娜等利用可視化實驗臺發(fā)現(xiàn)了蒸汽泡在間歇凝結(jié)過程中會發(fā)生“局部收縮”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象，而且隨著過冷水溫的上升，間歇凝結(jié)頻率會降低。張強武基于該實驗系統(tǒng)觀察到蒸汽泡在間歇凝結(jié)過程中的7 種汽羽形狀，其中柱狀-泡狀流在宏觀尺度并未提及。

本文基于課題組的前期研究，利用高速攝像機（5000 幀/s）獲取了可視化圖像并應用圖像批處理技術分析了相界面前端運動規(guī)律，從定量角度對蒸汽泡的汽液相界面運動特性進行了分析，進一步揭示了微細通道內(nèi)蒸汽直接接觸凝結(jié)界面演變的機理。

1 實驗系統(tǒng)與方法

1.1 實驗系統(tǒng)及裝置

該實驗系統(tǒng)主要由5 部分構(gòu)成（圖1），分別為過冷水循環(huán)系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)和可視化實驗段，該實驗段為石英玻璃材質(zhì)，水平主管內(nèi)徑為1.4mm、壁厚為2.24mm，豎直支管內(nèi)徑為0.7mm、壁厚為2.14mm，其結(jié)構(gòu)、尺寸和汽水流動示意方向如圖2所示。系統(tǒng)中其他主要設備參數(shù)見表1。此外，進出口兩側(cè)安裝經(jīng)恒溫水域標定的熱電偶（TC1、TC2）測量過冷水進出口溫度。實驗段與系統(tǒng)的連接管路為Peek管。

表1 設備技術參數(shù)

圖1 實驗系統(tǒng)

圖2 實驗段

1.2 實驗工況及方案

實驗的汽水工況見表2。

表2 實驗工況

在實驗開始前需進行以下工作：開啟恒溫水域箱和電加熱水箱，設定水域溫度為100℃；4h后關閉電加熱水箱加熱模塊，使其自然冷卻至實驗溫度；6h 后將恒溫水域箱的溫度設置為98℃，實驗過程中要維持其溫度恒定；這一步驟是為了消除水中的不凝氣體，以避免對實驗結(jié)果造成影響，提高實驗嚴謹性。在實驗開始前，需將伴熱帶打開并設置其伴熱溫度為100℃，以防止蒸汽在進入實驗段前液化。

具體實驗方案如下：首先啟動蠕動泵，控制電磁三通閥使過冷水系統(tǒng)以正循環(huán)模式啟動，使純凈水箱中的水充滿電加熱水箱；隨后設置水溫預定值，開啟電加熱模塊，水溫達到預定值后控制電磁三通閥使逆循環(huán)模式開啟，使過冷水通過實驗段；待系統(tǒng)運行一段時間消除管路熱慣性后，啟動雙柱塞泵，高溫去離子水經(jīng)精密蒸汽發(fā)生器汽化后，進入豎直支管并與水平主管內(nèi)的過冷水直接接觸。待實驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠清晰觀察到蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)現(xiàn)象時（同時伴隨有周期性的喘振聲音），依次開啟發(fā)光二極管（LED）背光源、高速攝像機及圖像采集軟件，本實驗所采用的高速攝影幀率為5000幀/s。

過冷水進出口溫度隨時間變化曲線如圖3 所示，可見在實驗過程中進出口溫度相對穩(wěn)定，分別約為33℃和58℃。為提高實驗結(jié)果的可重復性，同一實驗工況重復了3次實驗。

圖3 過冷水進出口溫度隨時間變化曲線

1.3 不確定度分析

采用Moffat提出的可直接測量變量的不確定度分析法，具體如式(1)～式(3)所示。求得各參數(shù)的不確定度見表3。

表3 實驗參數(shù)的不確定度

2 汽液相界面速度計算方法

汽液界面尺寸及速度的計算方法參考文獻[11]。相界面豎直方向最低點的高度變化處理采用以下方法：采用圖像處理軟件ImageJ 對可視化圖像進行后處理，首先批量對原始圖像［如圖4(a)］進行去背景、二值化和去噪操作，通過ImageJ捕捉邊界獲得一個矩形區(qū)域［如圖4(b)］，應用ImageJ計算功能獲取矩形下邊界的縱向坐標，即相界面最低點坐標，以同樣方法獲取支管在圖像內(nèi)的像素數(shù)目＝126pt，主管下側(cè)內(nèi)壁坐標＝906pt。已知支管的實際長度為＝7mm，以主管下側(cè)內(nèi)壁為高度零點，設實際長度與單位像素的比例系數(shù)為、實際的相界面高度為，則圖像中的各實際尺寸如式(4)、式(5)。

本實驗中高速攝像機的采樣率為5000幀/s，由此可知每幀可視化圖像的時間間隔Δ＝0.2ms，設相界面速度為，則相界面運動參數(shù)如式(6)。

注意：當蒸汽泡發(fā)生氣泡分離時，分離的氣泡會影響處理結(jié)果［如圖4(c)］，故將其作為噪點去除，如圖4(d)。

圖4 原始圖像及處理后圖像

3 結(jié)果與討論

3.1 微細通道內(nèi)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)的汽液相界面演變行為

圖5為過冷水溫33℃、過冷水質(zhì)量流量6.325g/min、蒸汽溫度100℃及蒸汽質(zhì)量流量0.25g/min 工況下，3 個典型周期的汽液界面演變行為的可視化圖像。觀察圖5(a)發(fā)現(xiàn)，蒸汽進入主管后蒸汽泡增長至最大，而后因冷凝消失，繼而過冷水被吸入支管。圖5(b)中蒸汽泡增長至最大后發(fā)生了“局部收縮”現(xiàn)象。圖5(c)中蒸汽泡“局部收縮”后陸續(xù)發(fā)生了二次“內(nèi)爆”。

圖5 汽液界面演變圖像

對比上述典型周期內(nèi)的汽液相界面演變過程發(fā)現(xiàn)，即便是在同一種汽水工況下，不同凝結(jié)周期內(nèi)的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大時的形貌、蒸汽泡的潰滅特性及過冷水被吸入支管高度均有很大差異。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，圖5(a)中氣泡的相界面邊緣較為光滑，而圖5(b)和圖5(c)中的氣泡最大時相界面邊緣相對粗糙，且“局部收縮”后的氣泡分離和“內(nèi)爆”瞬間，相界面顏色顯著加深，這可能是該區(qū)域為分散的微小蒸汽泡和周圍的水體構(gòu)成汽液兩相區(qū)，由此導致的高遮光率使光線難以透過該區(qū)域所導致。

圖6 為在過冷水溫33℃、過冷水質(zhì)量流量6.325g/min、蒸汽溫度100℃及蒸汽質(zhì)量流量0.25g/min工況下，一個典型周期內(nèi)相界面演變過程及多個凝結(jié)周期的各階段時間占比的平均值。如圖6 所示，將蒸汽剛進入主管時設定為零時刻，自零時刻開始，將一個凝結(jié)周期分為4 個典型階段：氣泡增長、氣泡消失、過冷水被吸入支管階段和過冷水下降階段，以蒸汽再次進入水平主管為一個完整周期結(jié)束。該典型周期共耗時68.4ms，在氣泡消失階段出現(xiàn)了“局部收縮”（=5.0ms）、氣泡脫離（=5.2ms）和多次“內(nèi)爆”（=5.8～6.6ms）現(xiàn)象。

從該周期內(nèi)不同階段的汽液相界面演變來看，0～3.6ms 時段處在蒸汽泡的增長階段，在終了時刻氣泡的形狀接近圓柱。5.0ms 時刻發(fā)生“局部收縮”，此時氣泡上部出現(xiàn)凹陷且相界面邊緣顏色與之前時刻相比變淺。5.2ms發(fā)生“脫離”，此時氣泡下部的氣羽與上部分離，且顏色顯著加深。在隨后的5.8～6.6ms 時段，氣泡陸續(xù)發(fā)生多次“內(nèi)爆”并且顏色保持較深的狀態(tài)，表明此階段為分散的微小蒸汽泡與周圍過冷水融合接觸程度顯著增強。在6.8ms 時刻蒸汽泡完全凝結(jié)且凝結(jié)過程僅用了1.4ms，隨后過冷水進入豎直支管內(nèi)并于23.0ms 時刻達到最高，其高度顯著高于圖5(a)中冷水進入支管的高度，綜合圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，蒸汽泡凝結(jié)過程中如存在“局部頸縮”或“內(nèi)爆”現(xiàn)象，會導致過冷水進入支管的高度顯著較高。

圖6 汽液相界面演變?nèi)^程圖像及各階段時間占比

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，雖然在氣泡消失階段相界面經(jīng)歷了多次演變，但其總占比時間卻僅為12%。

3.2 蒸汽泡前端相界面豎直方向的運動特性

圖7 為在過冷水溫33℃、過冷水質(zhì)量流量6.325g/min、蒸汽溫度100℃及蒸汽質(zhì)量流量0.25g/min工況下，1000ms 內(nèi)相界面最低點高度隨時間變化曲線。將水平主管內(nèi)壁面高度設定為0mm，主支管相交位置處（=3.276mm）以虛線表示，以直觀判斷汽液界面的相對位置。由圖7可見，相界面高度曲線趨勢呈現(xiàn)出明顯的周期性，可分為4個典型階段：曲線自主支管交界線開始下降至周期內(nèi)最小值、曲線上升至主支管交界線、曲線上升至周期內(nèi)最大值、曲線下降至主支管交界線；結(jié)合圖6中相界面的演變行為，依次對應凝結(jié)周期內(nèi)4個典型階段：氣泡增長、氣泡消失、過冷水被吸入支管階段和過冷水下降階段。據(jù)此觀察圖7可知，在此工況下隨機選取的這1000ms內(nèi)共有23個凝結(jié)周期，即凝結(jié)頻率為23Hz。

圖7 汽液相界面高度隨時間變化曲線

對比不同周期內(nèi)相界面高度的峰谷值發(fā)現(xiàn)，在=100ms 左右的相界面高度最高，約為32mm，而在=920ms左右的相界面高度最低，約為4mm。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因如下：對比=90ms和=900ms左右的曲線谷值可知，前者的谷值較尖銳，相界面波動更為劇烈，結(jié)合圖6 中5.0～6.6ms 的可視化圖像可知，蒸汽泡發(fā)生“局部收縮”和“內(nèi)爆”時會導致相界面高度快速變化，故曲線為較尖銳的谷值。結(jié)合圖6進一步觀察可知，1000ms內(nèi)有15個周期的汽液相界面出現(xiàn)了“局部收縮”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象。

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，在每個較大的峰值（≥18mm）前均有1～2個相對較小的峰值。為了更直觀地描述這一現(xiàn)象，以圖7中連續(xù)3個高度波動周期為例進行說明，如圖8所示。

圖8 連續(xù)3個周期內(nèi)相界面高度隨時間變化曲線

圖8 描述了193.6～295.6ms 時段內(nèi)高度變化曲線及高度峰谷值所對應的汽液界面瞬時圖像信息。由圖可知，曲線峰值所對應的周期內(nèi)過冷水被吸入支管高度達到最大，曲線谷值所對應的氣泡達到最大，且在這3個連續(xù)周期內(nèi)過冷水高度和氣泡的最大尺寸依次增大。其主要原因分析如下：當蒸汽泡凝結(jié)后，過冷水吸入支管的高度很低時，隨即補充的新鮮蒸汽會加熱主支管交界的固體區(qū)域，如此反復兩次后會使主支管交界處的固體區(qū)域溫度升高，此時周圍過冷水的溫度會相對升高，致使蒸汽第3次從支管重新沖入主管且達到最大時的尺寸明顯增大，而較大的蒸氣泡更易發(fā)生“局部收縮”和“內(nèi)爆”，使過冷水上升高度明顯增大。

既往研究中極少涉及蒸汽直接接觸凝結(jié)汽液界面運動的定量分析，本文在過冷水溫33℃、過冷水質(zhì)量流量6.325g/min、蒸汽溫度100℃及蒸汽質(zhì)量流量0.25g/min 工況下，對相界面最低點瞬時速度進行了定量分析，如圖9所示。

觀察圖9發(fā)現(xiàn)，相界面最低點瞬時速度曲線呈現(xiàn)顯著的周期性和振蕩性特征，雖然在1000ms 內(nèi)發(fā)現(xiàn)了25 組明顯的峰谷值，但是不同周期內(nèi)的速度峰值差別較大，最大可達11m/s，最小約為2m/s；而速度谷值相對于峰值來說總體差別較小，基本處于-2～-3m/s；此外在1000ms內(nèi)無長時間的零速度，這與文獻[11]中所述宏觀尺度汽液相界面波動情況相反，表明在微細尺度條件下汽液相界面速度振蕩更為劇烈。

圖9 汽液相界面速度隨時間變化曲線

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，汽液相界面速度在極短時間內(nèi)出現(xiàn)了瞬時轉(zhuǎn)變以及較為劇烈的多次振蕩（例如在=195ms左右和=262ms左右），為了闡明其中的機理，以193.6～295.6ms 時段內(nèi)的相界面速度及其對應的可視化圖像信息為例分析相界面演變細節(jié)，如圖10所示。

觀察圖10 發(fā)現(xiàn)，在195.0～196.0ms 這一極短時段內(nèi)速度出現(xiàn)突變，根據(jù)可視化信息，在該1.2ms時段內(nèi)蒸汽泡在水平主管內(nèi)依次經(jīng)歷了鼓脹、“局部收縮”、氣泡分離、“內(nèi)爆”隨即又鼓脹。結(jié)合上述圖像信息發(fā)現(xiàn)，在蒸汽泡增長階段，汽液界面速度振蕩式下降而后速度降為0，表明這一階段的蒸汽凝結(jié)量小于蒸汽的補充量；而在隨后的“局部收縮”和“內(nèi)爆”階段，相界面速度曲線變化呈驟增→驟降→驟增趨勢，并且速度方向發(fā)生了3 次改變，不過由于蒸汽泡較小，相界面速度只是發(fā)生突變。

圖10 連續(xù)3個周期內(nèi)相界面速度隨時間變化曲線

進一步觀察發(fā)現(xiàn)，在262.0～264.0ms 內(nèi)發(fā)生了多次劇烈的速度振蕩，即出現(xiàn)了4次速度峰值，速度方向發(fā)生了4次改變。結(jié)合可視化信息發(fā)現(xiàn)，蒸汽泡尺寸顯著大于=195.0ms，可以清楚地觀察相界面的演變行為。在該4ms時段內(nèi)蒸汽泡經(jīng)歷了鼓脹→“局部收縮”→鼓脹→“局部收縮”→“內(nèi)爆”→縮小，并且蒸汽泡完全潰滅后過冷水被吸入豎直支管內(nèi)。在=260.2ms 蒸汽泡增長至最大且相界面達到水平主管下內(nèi)壁面，隨后蒸汽泡“局部收縮”（260.4～261.0ms），蒸汽泡前端氣泡分離并快速冷凝，使相界面速度驟增到約5m/s。261.2～263.0ms 蒸汽泡繼續(xù)增長，隨后再次“局部收縮”并出現(xiàn)了0.4ms的“內(nèi)爆”（261.8～263.0ms），其相界面速度波動幅度與260.4～261.4ms 相似，此期間出現(xiàn)了兩次速度峰值。結(jié)合可視化圖像可知，第1次速度峰值是由“局部收縮”引起，而第2次速度峰值則是蒸汽泡“內(nèi)爆”后產(chǎn)生了密集的微小汽泡并隨之快速冷凝，致使相界面速度先驟降后驟增。最后，蒸汽泡縮小直至潰滅并將過冷水吸入支管內(nèi)（263.2～264.0ms）。綜合分析來看，蒸汽泡前端快速冷凝是導致相界面速度劇烈振蕩的主要原因。此外，相界面速度在=263.4ms 有小幅波動，相界面速度先減小后增大；結(jié)合可視化信息可知，相界面正處于主支管交界處，其波動原因可能是由于相界面經(jīng)過主支管交界處時受到了管路的局部阻力所致。

4 結(jié)論

對T形微細通道內(nèi)蒸汽直接接觸間歇凝結(jié)汽液相界面運動特性進行了實驗研究，獲取了過冷水溫33℃、過冷水質(zhì)量流量6.325g/min、蒸汽溫度100℃及蒸汽質(zhì)量流量0.25g/min 工況下的相界面圖像信息，進一步應用圖像批處理技術定性和定量分析了蒸汽泡前端相界面豎直方向的運動特性，主要結(jié)論如下。

（1）根據(jù)汽液相界面運動特征，凝結(jié)周期的典型階段可以劃分為氣泡增長階段、氣泡消失階段、過冷水被吸入豎直支管階段和過冷水下降階段。然而，即便是在同一種汽水工況下，不同凝結(jié)周期內(nèi)的汽液相界面在蒸汽泡生成直至最大時的形貌、蒸汽泡的潰滅特性等方面有很大差異。

（2）獲取了汽液界面前端位置隨時間的瞬時變化曲線，基于該曲線發(fā)現(xiàn)實驗工況下的凝結(jié)頻率為23Hz，并且有15 個周期中汽液相界面出現(xiàn)了“局部收縮”和“內(nèi)爆”現(xiàn)象。結(jié)合可視化圖像進一步分析發(fā)現(xiàn)，曲線的峰值表明該時刻的汽液界面前端運動至支管最高位置，其最大值約為32mm、最小值約為3.5mm。通過對各凝結(jié)周期內(nèi)相界面高度峰值發(fā)現(xiàn)，在每個較大的峰值（≥15mm）前均有1～2個相對較小的峰值。

（3）定量探究了汽液相界面速度隨時間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在極短時間內(nèi)出現(xiàn)了速度的瞬時轉(zhuǎn)變以及較為劇烈的多次振蕩，速度峰值最大可達11m/s。通過結(jié)合可視化圖形進一步發(fā)現(xiàn)，汽液相界面的“局部收縮”和“內(nèi)爆”會使蒸汽泡前端快速冷凝從而導致相界面速度劇烈振蕩，但二者的冷凝方式不同：“局部收縮”時發(fā)生氣泡分離，分離的氣泡快速冷凝，使相界面速度驟增，而“內(nèi)爆”時則先是產(chǎn)生密集的微氣泡隨后快速冷凝，使相界面速度先驟降后驟增。

——支管實際長度，mm

——支管在圖像內(nèi)的像素數(shù)目，pt

——不確定度

——相界面高度，mm

——置信因子

——實際長度與單位像素的比例系數(shù)

——測量次數(shù)

，——過冷水質(zhì)量流量和蒸汽質(zhì)量流量，g/min

——標準差

，——過冷水溫度和蒸汽溫度，℃

——流逝時間，ms

——相界面速度，m/s

，——相界面最低點坐標和主管下內(nèi)壁坐標，pt

——儀器精確度

φ，Δφ，ˉ，—— 直接測量變量、誤差、平均值、設備量程